立式电磁制动作用下流体流动与异相物质迁移行为的研究

The effective control of level fluctuation, inclusion and bubble motion in continuous casting mold is a key technology to the steel strands production with high quality. However, all of the current electromagnetic brake technology is import from abroad and set the magnetic poles in the horizontal level on the wide face of the mold, which could not cover the solidifying front of initial shell in the molten steel impact zone, so that a large number of inclusions and bubbles carried by the impact of steel flow are captured by the solidifying front, that generate serious surface defects of inclusions and bubbles in the slabs narrow sides. The project proposed a new method of electromagnetic brake with vertical magnetic poles, in which the entire initial solidifying front in the molten steel impact zone and molten steel surface near the narrow side of the mould are covered by the two pairs of vertical magnetic poles. They can inhibit the capture of the inclusions and bubbles by solidifying front and the slag near meniscus. The new method also makes the variety of basic physical phenomena in the mold have a significant change, such as the fluid flow, level fluctuation, the movement of inclusions and bubbles, the captured mechanism of inclusions and bubbles by solidifying shell, The project focus on the fundamental research of such new physical phenomenon and reveal their basic rules, to build the theoretical foundation and technical basis of the vertical electromagnetic brake technology for continuous casting of slab, breakthrough the foreign patent protection of horizontal electromagnetic brake technology and provide a key technology with independent intellectual property for the slabs production with high quality in our country.

有效控制结晶器内液面波动、卷渣、夹杂和气泡运动是高品质连铸坯生产的关键技术。现行电磁制动技术均为在结晶器宽面水平式布置磁极的国外引进技术，不能对水口出流钢液最先冲击的凝固坯壳前沿产生制动作用，使钢液携带的夹杂和气泡易被凝固壳捕获，在连铸坯窄面附近区域造成严重的皮下夹杂和气泡缺陷。本项目提出一种立式布置磁极的电磁制动新方法，其磁极同时覆盖结晶器窄面附近的钢液表面和水口出流钢液最先冲击的凝固坯壳前沿，可同时抑制弯月面卷渣及初始凝固坯壳对夹杂和气泡的捕获。此方法也使结晶器内流体流动、液面波动与卷渣、夹杂和气泡运动、凝固坯壳捕获气泡和夹杂的作用机制等物理现象发生显著改变。本项目拟对立式电磁制动作用下这些新的基本物理现象，开展深入的基础研究，揭示其基本规律，构建立式电磁制动技术的理论基础和技术基础，以突破国外水平式电磁制动技术的专利垄断，为我国高品质高附加值连铸坯生产提供具有自主知识产权的关键技术。

连铸结晶器内钢液的流动行为对于连铸工艺操作和铸坯质量具有重要的影响作用。电磁制动技术作为控制结晶器内流体流动和异相物质迁移的关键技术，目前国内现行应用的主要为由国外引进的、在结晶器宽面水平式布置磁极的电磁制动技术。即板坯连铸的全幅二段电磁制动（FC-Mold）和薄板坯连铸的全幅一段电磁制动（Ruler-EMBr）等。本项目首先提出一种立式布置磁极的电磁制动新方法（V-EMBr：Vertical Electromagnetic Brake），即在结晶器窄面附近设置立式磁极覆盖钢液表面至水口出流钢液冲击点区域，可同时抑制水口出流钢液对结晶器窄面的冲击强度和弯月面处的液面波动。本项目设计构建了低熔点合金循环流动的立式电磁制动实验平台，完成了V-EMBr作用下板坯连铸结晶器内金属流面波动与卷渣、弯月面现状的物理模拟实验，V-EMBr作用下板坯连铸结晶器内多物理场耦合数值模拟研究。并进一步优化了立式电磁制动的设计，提出新型立式组合电磁制动（VC-EMBr，Vertical Combination Electromagnetic Brake）新技术，并获得中国发明专利和日本发明专利授权。完成了VC-EMBr作用下板坯连铸结晶器内多物理场耦合数值模拟研究，以及与现行板坯连铸应用的FC-Mold）的对比分析，构建了板坯连铸V-EMBr和VC-EMBr新技术的理论基础和技术基础。初步开展了针对FTSC薄板坯连铸的VC-EMBr的多物理场耦合数值模拟的探索性研究，以及与现行薄板坯连铸应用的Ruler-EMBr的对比分析。VC-EMBr技术不仅突破了国外水平式电磁制动技术的专利垄断，为我国高品质高附加值连铸坯生产提供了具有自主知识产权的关键技术；而且拓展了电磁制动技术研究领域的深度和广度，具有优于现行国外引进的Ruler-EMBr和FC-Mold技术的独特优势，具有更广阔的应用前景和实用价值，可望引领电磁制动技术的新发展和新应用。研究工作在MMTB等期刊发表论文16篇，发表会议论文6篇，做会议报告16次（其中境外系列性国际会议大会报告1篇，国际会议典型邀请报告3篇，国内会议大会报告7篇）。培养毕业研究生6人，在读研究生3人(其中与德国联合培养博士研究生1人），举办学术会议5次，与海外合作交流9人次。